Systemy światłowodowe - pomoc dydaktyczna

1. Systemy światłowodowe - pomoc dydaktyczna Zbigniew Siwek

2. Zapotrzebowanie na coraz szersze pasmo – podstawowy problem współczesnej telekomunikacji. Wzrastająca liczba użytkowników indywidualnych i grupowych Rozwój wymiany informacji Szersze Pasmo (Większa Przepływ-ność) Wzrastająca zawartość serwisów multimedialnych Nowe usługi i aplikacje

3. Historia Historia światłowodów jest dość długa, zaczęła się w XIX wieku, kiedy to angielski fizyk John Tyndall (1820-1893) zauważył, że całkowite wewnętrzne odbicie światła może mieć znaczenie praktyczne, lecz dopiero pod koniec XX zaczęto to zjawisko wykorzystywać na skalę masową.Historia techniki optycznej:1854 – John Tyndall światło widzialne - badania rozchodzenia się fal 1876 - Aleksander Graham Bell wynalazł (1880 opatentował) fototelefon. Komunikacja na odległość 200 m 1966 – wyeliminowano OH, dzięki temu tłumienie spadło z ~1000 dB do kilku dB • 1970 Produkcja włókna o stratach < 20 dB/km, Corning Glass Company 1970 – laser półprzewodnikowy1979 – 100 Mb/s na 69 km, na LED1980 – 565 Mb/s na 110 km 1985 Opracowanie wzmacniacza światłowodowego 1988 TAT-8 (Transatlantic Telephone Cable) Transatlantyckie włókno o długości 6700 km • 1996 Fujitsu, NTT Laboratoriów, i Bell Labs. uzyskują 1 Tbit/s • 2001 Firma NEC uzyskała przepływność ponad 10 Tbit/s.

4. Doświadczenie Johna Tyndalla, 1854 rok,

5. Zalety światłowodów • ogromna pojemność informacyjna pojedynczego włókna • małe straty = zdolność przesyłania sygnałów na znaczne odległości • całkowita niewrażliwość na zakłócenia oraz przesłuchy elektromagnetyczne • mała waga i małe wymiary • bezpieczeństwo pracy (brak iskrzenia) • utrudniony (prawie niemożliwy) podsłuch przesyłanych danych • względnie niski koszt (ciągle spada) • duża niezawodność (poprawnie zainstalowanych łączy) • prostota obsługi • nie ulegają procesowi utleniania (brak korozji)

6. Widmo fal wykorzystywanych w światłowodach • Znamionowe długości fal okien optycznych: • I okno 850 nm • II okno 1310 nm • III okno 1550 nm • IV okno 1625 nm • V okno 1440 nm

7. Wybrane zależności z optyki światłowodowej • Szybkość rozchodzenia się fali • Prawo Snella • Kąt akceptacji, apretura numeryczna

8. Szybkość rozchodzenia się fali • w próżni c  3·108 m/s • w innym ośrodku gdzie: n - współczynnik załamania światła, określa gęstość optyczną i wynosi dla: powietrza = 1 wody = 1,33 szkła = 1,5 germanu = 4

9. Prawo Snella • Zakładając rozchodzenie się fal wzdłuż linii prostych, • Kąt padania promienia na granicy ośrodków jest równy kątowi odbicia, • Kąty padania i załamania spełniają tzw. prawo załamania światła (prawo Snella):

10. Kąt akceptacji, apertura numeryczna

11. Apertura numeryczna i kąt akceptacji Apertura numeryczna (Numerical aperture NA): Kąt akceptacji θ - jest to największy kąt padania promieni na powierzchnię czołową światłowodu przy którym nastąpi całkowite odbicie promieni od powierzchni granicznej płaszcza i rdzenia.

12. Kąt akceptacji to maksymalny kąt, przy którym następuje całkowite odbicie od powierzchni granicznej rdzenia i płaszcza. Wyznacza on aperturę numerycznąNA. Jest to miara maksymalnego dopuszczalnego kąta między wchodzącym promieniem światła a osią światłowodu. Im większa apertura numeryczna, tym większą część światła można wprowadzić do wnętrza światłowodu, a więc włókno wykazuje większą podatność jako światłowód wielomodowy.

14. Klasyfikacja światłowodów Podstawowa klasyfikacja światłowodów: • ze względu na konstrukcję • włókniste • planarne • ze względu na charakterystykę modową • wielomodowe • jednomodowe • ze względu na rozkład współczynnika załamania w rdzeniu • skokowe • gradientowe

15. Rodzaje konstrukcji • światłowód włóknisty • światłowód planarny

16. Światłowody włókniste Propagacja wiązki światła w światłowodzie włóknistym. n1>n2 Wartość kąta całkowitego wewnętrznego odbicia wynosi: gdzie: n1 – współczynnik załamania w rdzeniu n2 – współczynnik załamania w płaszczu

17. Światłowody włókniste są cylindrycznymi szklanymi włóknami, otoczonymi powłoką gumową nadającą im wytrzymałość oraz odporność na oddziaływanie czynników zewnętrznych. Włókna światłowodowe zostały wykonane ze szkła kwarcowego. Można w nich wyróżnić dwa obszary różniące się wartością współczynnika załamania światła: centralnie położony......... o podwyższonym współczynniku załamania oraz otaczający go............ . Płaszcz jest wykonany z czystego szkła kwarcowego, natomiast sam rdzeń włókna ma domieszkę germanu i innych pierwiastków rzadkich, co zwiększa współczynnik załamania światła w rdzeniu o wielkość zależną od koncentracji domieszek - w praktyce o 1 procent. rdzeń płaszcz

18. Mod światłowodowy jest pojedynczym rodzajem drgań własnych światłowodu, spełniający równanie falowe z warunkami brzegowymi, zależnymi od wymiarów i konstrukcji światłowodu. Maksymalna liczba, postać i rozkład modów zależą od geometrii światłowodu i od właściwości optycznych materiałów stosowanych na światłowody. Częstotliwość znormalizowana określa modowość światłowodu: gdzie : rf - promień rdzenia,  - długość fali w próżni Jeżeli V < 2,405 to światłowód jednomodowy. Jeżeli V  2,405 to światłowód wielomodowy.

19. Zależność liczby modów od długości fali λ Im większa jest długość fali λtym mniejsza wartość V, co oznacza mniejszą liczbę propagowanych modów. λC - długość fali odcięcia drugiego modu - światłowód jednomodowy - światłowód wielomodowy

20. W telekomunikacji znajdują zastosowanie następujące typy światłowodów: • światłowody wielomodowe o profilu skokowym, • światłowody wielomodowe o profilu ciągłym (gradientowe), • światłowody jednomodowe standardowe (Standard Fibre,SF), • światłowody jednomodowe o przesuniętej dyspersji (Dispersion-Shifted Fibre,DSF), • światłowody jednomodowe o przesuniętej i niezerowej dyspersji (Non-Zero Dispersion-Shifted Fibre,NZDSF).

21. Światłowody wielomodowe Światłowód, który może propagować wiele modów, różniących się rozkładem pola oraz wartością stałych propagacji, czyli prędkością rozprzestrzeniania się w światłowodzie, nazywamy światłowodem wielomodowym. Podział światłowodów wielomodowych ze względu na profil współczynnika załamania: • Światłowody wielomodowe o profilu skokowym SI • Światłowody wielomodowe o profilu gradientowym GI

22. Świtłowody wielomodowe o profilu skokowym Światłowody o profilu skokowym SI (Step-index fiber) są zbudowane z cylindrycznego rdzenia otoczonego płaszczem. Rdzeń posiada stały współczynnik załamania o wartości n1, i następnie ulega raptownej zmianie do wartości n2 wewnątrz płaszcza.

23. Światłowody wielomodowe o profilu gradientowym W światłowodach o profilu gradientowym GI (Graded-index fiber) współczynnik załamania w rdzeniu zmienia się w sposób ciągły – od wartości maksymalnej na osi rdzenia do wartości minimalnej na granicy z płaszczem.

24. Opis współczynnika załamania Promienie światła w światłowodzie gradientowym nie są odbijane od granicy płaszcz-rdzeń, lecz zakrzywiają się, przebiegając obszar rdzenia liniami falistymi. Zmiana współczynnika załamania od osi włókna w kierunku do płaszcza jest opisana zależnościami: dla dla gdzie: n1 i n2 – współczynnik załamania w płaszczu i rdzeniu, a – średnica rdzenia, α - parametr określający profil rdzenia, Δ – względna zmiana współczynników załamania (n1-n2)/n1

25. Światłowody jednomodowe Światłowody jednomodowe są efektywniejsze od światłowodów wielomodowych i pozwalają transmitować dane na odległość 100 km bez wzmacniacza. Jednak ze względu na wysoki koszt interfejsów przyłączeniowych jest to bardzo drogie rozwiązanie. W światłowodzie o skokowym profilu współczynnika załamania światła, może propagować się tylko jeden mod, tzw. mod podstawowy.

26. Parametry transmisyjne światłowodów • Tłumienność • Dyspersja • Efektywność sprzężenia źródła światła ze światłowodem

27. Tłumienność Przy tłumieniu światłowodowym bierzemy po uwagę tłumienia poszczególnych odcinków łącza. Przyjęto charakteryzować tłumienność danego typu światłowodu poprzez podanie strat na długości jednego kilometra włókna, czyli w dB/km jest to tzw. tłumienność jednostkowa.

28. Tłumienie światłowodów • Tłumienie mocy sygnału optycznego w światłowodzie jest spowodowane następującymi czynnikami: • straty materiałowe • straty falowodowe • Straty materiałowe: • rozproszenie Rayleigha (spowodowane niejednorodnością struktury szkła) • absorpcja w podczerwieni i nadfiolecie • zanieczyszczenia w postaci wody (jony OH-)

29. Tłumienie światłowodu w funkcji długości fali optycznej

30. Straty falowodowe: • niejednorodności materiałowe • mikrozgięcia • zgięcia makroskopowe

31. Okna transmisyjne Zależność tłumienia światłowodu od długości fali  okno transmisyjne na fali 850 nm  okno transmisyjne na fali 1310 nm  okno transmisyjne na fali 1550 nm V okno transmisyjne na fali 1625 nm

32. Dyspersja Dyspersja zmienia kształt sygnału, powoduje rozszerzenie i rozmycie transmitowanego impulsu, w czasie i w przestrzeni, rosnące wraz z odległością.

33. Rodzaje dyspersji • Dyspersja międzymodowa (modowa) • Dyspersja chromatyczna • dyspersja materiałowa • dyspersja falowodowa • Dyspersjapolaryzacyjna

34. Dyspersja międzymodowa Dyspersja międzymodowa, występuje jedynie we włóknach transmitujących więcej niż jeden mod światła, czyli w światłowodach wielomodowych. Ten typ dyspersji jest spowodowany różną prędkością grupową przyporządkowaną pojedynczym modom świetlnym prowadzonym jednocześnie wzdłuż światłowodu, co wynika z różnej drogi przebytej przez poszczególne mody. Wielkość dyspersji międzymodowej w światłowodzie o profilu skokowym: Wielkość dyspersji międzymodowej w światłowodzie o profilu gradientowym:

35. Wyznaczanie dyspersji chromatycznej światłowodu W praktyce dyspersja światłowodu jest wyznaczana w następujący sposób: przez odcinek światłowodu o długości L przesyła się sukcesywnie dwa impulsy na różnych długościach fali optycznej λ1 i λ2 . Następnie mierzy się odpowiadające im jednostkowe czasy przejścia τ1 i τ2. Poszerzenie czasowe impulsu Δτ wynosi:

36. Sposoby kompensacji dyspersji chromatycznej

37. Dyspersja polaryzacyjna Najmniejszy wpływ na całkowitą wartość dyspersji światłowodu ma dyspersja polaryzacyjna PMD (Polarization Mode Dispersion), również powodująca szkodliwe rozszerzanie kształtu prowadzonych sygnałów świetlnych. Ten rodzaj dyspersji jest związany z niejednorodną geometrią włókna.

38. Efektywność sprzężenia źródła światła ze światłowodem Efektywność sprzężenia decyduje o mocy promieniowania wprowadzonej do światłowodu. Źródłem promieniowania może być zarówno dioda elektroluminescencyjna (LED), jak i dioda laserowa (LD).

39. Wytwarzanie światłowodów Wytwarzanie światłowodów cylindrycznych obejmuje trzy etapy: • formowanie preformy, • CVD (Chemical Vapor Deposition) • VAD (Vapor Axal Deposition) • OVD (Outside Vapor Deposition) • wyciąganie światłowodu z preformy.

40. Metoda CVD Wykonywanie preformy przez osadzenie kolejnych warstw tworzących rdzeń wewnątrz rury kwarcowej, której ścianki tworzą po wyciągnięciu płaszcz światłowodu.Metoda tam umożliwia stosunkowo proste kształtowanie profilu rdzenia światłowodu przez nakładanie kolejnych warstw różnie domieszkowanych. Wymaga ona jednak użycia rury kwarcowej o bardzo dobrych właściwościach optycznych i mechanicznych oraz wąskich tolerancjach wymiarów, gdyż jej ścianka staje się płaszczem światłowodu.

41. Metoda VAD Wykonywanie preformy przez osadzenie jednocześnie w całym przekroju poprzecznym warstw o założonej zmianie współczynnika załamania, aż do utworzenia preformu o pożądanej długości.W tej metodzie, najtrudniejszej technologicznie, preform narasta wzdłuż długości, co utrudnia uzyskanie idealnej jednorodności wzdłużnej jego parametrów. Poza tym niezwykle skomplikowane jest domieszkowanie jednocześnie różne w przekroju poprzecznym, co uniemożliwia dowolne kształtowanie profilu wytwarzanego światłowodu.

42. Metoda OVD Wykonywanie preformy przez osadzenie warstw tworzących kolejno rdzeń i płaszcz włókna na powierzchni zewnętrznej pręta, który jako element nośny jest następnie usuwany. Metoda trzecia jest analogiczna do pierwszej, przy czym ze względu na to, że reakcja zachodzi w przestrzeni otwartej, trudne staje się spełnienie warunków czystości. Mimo tego nadaje się ona do produkcji przemysłowej.

43. Wyciąganie światłowodów 1-układ centrowania preformu,2-układ wolnego przesuwu preformu,3- piec z krótka strefa grzaniu z osłoną gazowa,4-pomiar średnicy światłem laserowym,5-sygnał sprzężeniu zwrotnego,6-silnik,7-układ przesuwu poprzecznego,8-bęben ciągnący,9-polimeryzacja żywicy mocą promieniowania UV,10- nakładanie warstwy ochronnej z żywicy akrylowej,11-gaz obojętny

44. RODZAJE KABLI • Kable zewnętrzne • kanałowe • wzmacniane • przeciwgryzoniowe • samonośne • ziemne • podwodne • Kable wewnątrzobiektowe • wzmacniane i niewzmacniane • przeciwgryzoniowe • Kable stacyjne • jednowłóknowe • dwuwłóknowe • wielowłóknowe rozdzielane • Kable samonośne dla linii energetycznych i telekomunikacyjnych

45. Przekrój kabla ADL XOTKctd

46. Optotelekomunikacyjny kabel samonośny

48. Konstrukcje kabli światłowodowych Rodzaje kabli optotelekomunikacyjnych są związane z ich zastosowaniem. Największą grupę stanowią kable do układania w kanalizacji. Dużą grupę tworzą kable wewnątrzobiektowe z elastyczną powłoką, zalecane do wykonywania instalacji w obiektach zamkniętych. Kable opancerzone ocynkowanym drutem stalowym lub taśmą lakierowaną są przeznaczone do bezpośredniego zakopywania w ziemi na terenach o dużym zagrożeniu uszkodzeniami mechanicznymi, są to kable zewnętrzne. Wyróżniamy również kable podwieszane. Konstrukcja tubowa Konstrukcja rozetowa

49. Kabel światłowodowy w lince odgromowej OPGW (dla energetyki)

50. Sposób umieszczenie skrzynki łączeniowej na słupie